Проектирование и расчёт активных разделительных фильтров
(кроссоверов) для многополосного усилителя мощности
Схема и онлайн калькулятор номиналов элементов фильтров в составе двух —
трёхполосных УМЗЧ.
Что бы там ни говорили, но многополосные акустические системы с пассивными разделительными фильтрами обладают рядом недостатков! Включение таких кроссоверов между выходом усилителя и громкоговорителями, с одной стороны, приводит к заметному ухудшению параметра электрического демпфирования подвижной части излучателей, с другой — является причиной возникновения фазовых искажений, влияющих на форму выходного сигнала, особенно вблизи частот раздела фильтра.
Никуда не деться и от потери мощности в пассивном фильтре, и от сложности согласования по звуковому давлению каждой головки громкоговорителя при помощи резистивных делителей (дополнительно снижающих КПД системы), и от необходимости установки крупногабаритных катушек индуктивности, конденсаторов большой ёмкости, и т. д. и т. п.
Одним из эффективных средств улучшения качества звуковоспроизведения является применение нескольких полосовых УМЗЧ с активными разделительными фильтрами на входах. Такое построение называется многополосной усилительной системой.
На самом деле, разработать активные фильтры, исходя из: 1) требуемого подавления внеполосных частот, 2) идеального согласования на частотах раздела, 3) плоской суммарной АЧХ, 4) приемлемых импульсных характеристик — это дело не такое уж и простое. Поэтому давайте-ка не будем сильно морщить лоб и изобретать ничего лишнего, а обратимся к статье Рода Эллиотта (Rod Elliott) — человека далеко не самого последнего в области звукотехники. Вот что он пишет на своём сайте https://sound-au.com:
2/3-полосный электронный кроссовер Linkwitz-Riley с крутизной подавления 24 дБ/октава.
Представленные здесь фильтры Линквица-Райли имеют отличное фазовое согласование без пиков или провалов на частотах раздела. Конструкция адаптируется к двух, трёх или даже четырёх-полосным акустическим системам. С момента публикации проект стал очень популярным, и эта популярность сохраняется и по сей день.
1. Двухполосный кроссовер Linkwitz Riley
На рисунке Рис.1 показана стерео версия двухполосного кроссовера с двумя идентичными секциями фильтров. С приведёнными значениями компонентов они имеют частоту раздела кроссовера 310 Гц. Это устройство обеспечивает плоскую амплитудно-частотную характеристику, при этом сигналы от обоих каналов всегда остаются в одной фазе. Частота раздела может быть выбрана любой другой величины в пределах звукового диапазона. Частота среза ФВЧ (зелёный фон) и ФНЧ (розовый фон) должны совпадать. Связано это с тем, что коэффициент передачи у фильтра Линквица-Райли составляет 0,5 раз по напряжению или -6дБ, в отличие от фильтра Баттерворта с его -3дБ.
Рис.1 Стереоверсия двухполосного активного кроссовера
При использовании электронного кроссовера, для выравнивания звукового давления, излучаемого НЧ и ВЧ динамиками, может потребоваться регулировка уровней сигналов на выходе каждой из полос. Буферы (Рис.2), подключаются к выходу каждого из фильтров и имеют регулируемый коэффициент усиления 0. 2.
Рис.2 Буферный каскад — по одному на каждый выход кроссовера
Формулы для расчёта частотозадающих элементов фильтров Линквица-Райли приведены ниже:
R = 1 / (2 × π × 1,414 × f × C) ;
C = 1 / (2 × π × 1,414 × f × R) ;
f = 1 / (2 × π × 1,414 × R × C) .
На основании этих формул можно выполнить простенький калькулятор:
КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ КРОСОВЕРА ДЛЯ ДВУХПОЛОСНОЙ АКУСТИКИ
Обратите внимание на то, что на схеме помимо резисторов и конденсаторов рассчитанных значений используются и элементы удвоенных номиналов. Самый простой способ получить значение ёмкости «2C» — это использовать параллельное соединение двух конденсаторов, каждый из которых имеет значение номинала «C».
2. Трёхполосный кроссовер Linkwitz Riley
На Рис.3 показана реализация кроссовера с 3 полосами. Это устройство даёт отличные результаты с хорошим фазовым согласованием и равномерным импульсным откликом во всей полосе частот.
Рис.3 Схема кроссовера для трёхполосной активной акустики
Разумеется, что частоты сопряжения фильтров можно изменять в соответствии с параметрами применяемых громкоговорителей. Единственное, на что следует обратить внимание — это то, что ФВЧ и верхняя часть полосового фильтра (Рис.3, зелёный фон) должны рассчитываться на одну частоту, равную частоте среза ФВЧ, а нижняя часть полосового фильтра и ФНЧ (розовый фон) — на частоту, равную частоте среза ФНЧ. Произведём расчёт элементов и для данной схемы.
КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ЭЛЕМЕНТОВ КРОСОВЕРА ДЛЯ ТРЁХПОЛОСНОЙ АКУСТИКИ
Значения номиналов используемых резисторов и конденсаторов должны иметь точность — не менее 2% по отношению к расчётным.
Избегайте использования конденсаторов меньше 2,2 нФ или больше 470 нФ. Номиналы резисторов должны находиться в диапазоне: от 2,2 до 22 кОм.
Следует обратить внимание на то, что вход фильтра нижних частот подключён не к выходу входного буфера, а к выходу ФНЧ, входящего в состав полосового фильтра. Это сделано для того, чтобы получить наилучший результат при согласовании фазовых сдвигов частотных каналов.
Поскольку все операционные усилители работают в составе каскадов с единичным усилением, использование здесь ОУ премиум-класса не столь важно, поэтому микросхемы типа TL072 будут здесь вполне пригодны. Однако я настоятельно рекомендую вам найти что-нибудь «получше», предварительно убедившись, что выбранный тип ОУ пригоден для единичного усиления (это не всегда так, особенно для микросхем, требующих внешней компенсации).
Для питания кроссовера был использован источник питания ± 15 В.
Источник
АКТИВНЫЙ КРОССОВЕР ДЛЯ ТРЁХПОЛОСНОЙ HI-FI АУДИО СИСТЕМЫ
Аудио кроссоверы, или по-русски разделительные фильтры, это устройства в звуковых системах, которые создают нужные рабочие частотные диапазоны для динамических головок, которые сконструированы таким образом, чтобы работать в определенном частотном диапазоне. Они не приемлют частоты, не входящие в эти рамки. Если на высокочастотный динамик (твитер) подать низкую частоту, то звуковая картина исказится. Высокочастотные динамики должны работать только с высокими частотами, а низкочастотные динамики должны получить от общего звукового сигнала только низкочастотный диапазон. Оставшаяся средняя полоса достается среднечастотным динамикам (мидвуферы). Следовательно, задача кроссоверов заключается в разделении звукового сигнала на нужные (оптимальные) частотные полосы для соответствующих типов динамических головок.
Кроссоверы делятся на пассивные, состоящие из одних элементов RLC , и активные, в фильтрах которых задействованы транзисторы или операционные усилители. Наиболее распространены двухполосные с одной частотой среза и работающие на два динамика и трехполосные с двумя частотами среза и соответственно с тремя динамическими головками.
С помощью чувствительных и точных анализаторов можно определить, что наилучшее качество звука может быть достигнуто если воспроизводимый частотный диапазон разделен как минимум на три части, а полученные полосы усиливаются и воспроизводятся отдельными средствами. От этого « частотного разложения » происходят термины « твитер » — ВЧ , « мидвуфер » — среднечастотный динамик и « сабвуфер » — НЧ .
Если сравнивать пассивные и активные кроссоверы (разделительные фильтры), то первые приводят к потере мощности, и характеристическая кривая разделения полос недостаточно кривая, поэтому сигналы соседних полос смешиваются, что вызывает искажения, не говоря уже о особых требованиях к материалам LC -элементов. Гораздо более правильным решением является применение активных кроссоверов, где разделение полос, соответствующих высокому, среднему и низкому диапазону реализовано с помощью высокоточных, крутых, линейных фильтров с фазовым сдвигом на низком уровне, которые затем усиливаются ступенчатым выходом на соответствующие динамики. Схема такого активного кроссовера (левого канала), которая была опубликована в журнале «Hobby Elektronika» №12/2003 , приведена на рисунке ниже.
Формируемые схемой АЧХ изображены на рисунке ниже. ВЧ канал со спадом АЧХ крутизной 24 дБ/октава (частота среза около 5,5 кГц ) образован DA2.1- DA2.4 с переменным резистором чувствительности R33 . Оставшаяся часть спектра выделяется фильтром дополнительной функции ( ФДФ ) — в данном случае ФНЧ DA1.2-DA1.4 (R13, R15, R16) и подается на ФВЧ четвертого порядка DA3.1-DA3.4 , на выходе которого формируется сигнал СЧ , а также второй ФДФ DA4.1-DA4.3 , на выходе которого формируется НЧ канал.
Чтобы получить хорошие характеристики фильтров , важно подобрать точные значения RC -элементов, определяющих частоты среза . Резисторы желательно использовать с допуском в 1%, а при подборе конденсаторов (здесь использована обычная керамика К10-17Б ) пользоваться C -метром.
Вариант печатной платы для стерео-варианта кроссовера показан на рисунке ниже. Позиционные обозначения компонентов с апострофом означают его принадлежность к правому каналу. Используемые в схеме переменные резисторы – сдвоенные для монтажа на печатную плату RK-1233G1 .
Источник
Активная трехполосная акустическая система на динамиках Сканспик автор Крылов Георгий
Активные системы имеют много значительных преимуществ перед пассивными.
- Такими преимуществами яляются, в частности:
Почему же активных систем так мало на рынке?
Многие производители акустики — это мебельщики. Такими являются уважаемая Sonus Faber и Jamo, например. Другие не просто мебельщики, которые только собирают АС, но все равно, электроника для них это очень непростое дело. А электронщики, как правило, не могут делать хорошую акустику. Кроме того, маркетологи тоже влияют. Куда девать вышеупомянутые кабели, как настраивать свою систему? Да и рынок консервативен. Описываемая система является полуактивной — у нее активный раздел басового и СЧ-ВЧ звеньев. А само СЧ-ВЧ звено имеет пасивный фильтр.
- Такая система имеет ряд преимуществ:
- Так как самым тяжелым для усилиттеля является большой басовик, то он работает от своего канала, а СЧ-ВЧ звено работает от другого канала. что обеспечивает низкую интермодуляцию.
- СЧ-ВЧ звено может быть самостояттельным громкоговорителем, будучи отключенным от ФВЧ, который состыковывает его с басовым звеном.
- Можно избавиться от наиболее болльших и дорогих деталей пассивного фильтра, обеспечивающих нижню частоту раздела. Эта частота может, при этом, сколь угодно низкой.
- Можно применить обычные стерео усилители мощности в каждой АС из пары.
- Так как снизу обычно поряжок филльтра низкий, можно обйтись пассивными RC цепочками на входе усилителей мощности, что упрощает и удешевляет систему.
Выбор динамиков определялся простотой реализации. Снизу десятидюймовый басовик в ЗЯ, большой среднечастотник, который мог обеспечить низкий раздел, и хорошая ВЧ головка, которая не предъявляет требований по частоте раздела.
Таким требованиям удовлетворял десятидюймовый динамик ScanSpeak 25W/8565-01 в качестве НЧ звена, СЧ динамик из серии Ревелаторов: 15M/4531K00 и моя любимая пищалка: D2905/970000.
Дизайн корпуса не зависил от меня (определялся заказчиком), я только обеспечивал правильную с точки зрения техники реализацию. Басовое звено представляет собой обычный прямоугольный ящик, объемом около 70 литров, что обеспечивает добротность НЧ головки в оформлении около 0.7
Чертёж СЧ/ВЧ секции 
Чертёж гриля СЧ/ВЧ секции 
Чертёж НЧ секции 
Чертёж гриля НЧ секции 
Так как в корпусе нет особых выкрутасов, то не было особых проблем. Объем СЧ-ВЧ отсека заполнен распушенным синтепоном, кроме пространства, прилегающего к СЧ динамику. Внутренние поверхности отсека СЧ-ВЧ обклеены герленом. В басовом отсеке есть немного синтепона, расположенного посередине объема.
Фото АС без отделки 
Фото АС без отделки 
Фото АС без отделки 
Схема пассивного кроссовера 
Простота изумительная! 🙂
